光源、相干光及杨氏干涉.ppt

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1、概述：人们对光的认识经历了一个否定之否定 过程,1、光的机械微粒学说（17世纪-18世纪末）,代表：牛顿,对立面：惠更斯-波动说,分歧的焦点：光在水中的速度,1850年佛科（Foucauld）测定,微粒说开始瓦解,2、光的机械波动说（19世纪初-后半世纪）,2、光的机械波动说（19世纪初-后半世纪）,英国人杨（T.uoung)和法国人菲涅尔(A.T.Fresnel)通过干涉、衍射、偏振等实验证明了光的波动性及光的横波性。,性质：弹性机械波，在机械以太中传播。,3、光的电磁说（19世纪的后半期-）,19世纪后半期Maxwell建立电磁理论，提出了光的电磁性，1887年赫兹用实验证实。,性质：电磁

2、波在电磁以太中传播,4、光的量子说（20世纪初-）,电磁波动说在解释“热辐射实验”及“光电效应”等实验遇到困难。,1900年普朗克提出了“热辐射量子理论”爱因斯坦提出了光子理论，将光看成一束粒子流。与电磁波动说相抗衡。二者各自统治着自己的领域。,1924年法国人德布罗意（De.Broglie)大胆地提出了“物质波”的概念，尔后薛定谔、海森伯等人创建了量子力学，又将二者统一起来。,光是一个复杂性的客体，它的本性只能通过它所表现的性质来确定，它的某些方面象波而另一方面象微粒（波粒二象性）。但它既不是波，也不是微粒，也不是二者的混合体。,但从20 世纪50年代起光学的发展仍是“方兴未艾，前途无限”付

3、里叶光学更新经典光学。,出现了“相干光学”、“纤维光学”、“全息光学与全息技术”.它是既年轻又古老的科学。也是现代技术的基础。,分类：,1、几何光学：研究光的直线传播及光学仪器的 制造；,2、波动光学：研究光的波动性；,3、量子光学：研究光与物质的相互作用。,一、光矢量、光强度,可见光波长：,1)人眼对于颜色的感觉是由光波的频率决定的。,2）引起眼睛视觉效应和光 化学效应的是光波场中 的电场。,定义：光矢量：光振动中的电矢量,光振动：电矢量周期性的变化。,3）人眼及物理仪器检测光的强度是由光的能流 密度决定的。,二、光源、热光源发光的特点,1、光源：发光的物体,2、分类：,A）普通光源,-由自

4、发辐射发出的光。,冷光源：,A）普通 光源,电致发光-电场激发；,光致发光-由X射线、放射线、可见光激发；,化学发光-由化学能激发（萤火虫）,热光源-由热能激发,B）激光光源,激光器,Laser,由受激辐射产生的光,3、普通光源发光的特点,在同一时间有大批原子发光；（不是全部）,就单个原子而言，每个原子都是断断续续发 光，每次发光时间极短（10-8s）且一次只能 发出一个有限长具有偏振性的的波列。,同一原子先后发出的光及同一瞬间不同原子 发出的光的频率、振动方向、初相位、发光 的时间均是随机的。,结论：一般而言热光源及普通光源发出的光为非 相干光。且同一光源上不同点发出的光也 是非相干光。若要

5、产生干涉须将非相干光 变为相干光。激光光源为相干光源。,将非相干光变为相干光的原则是：,“同出一源，分之为二”,三、光波的叠加,讨论同方向、同频率的光的叠加,P,设：,P点的光强度：,P点的合振幅,P点的光强度：,P点的合振幅,因原子每次发光时间只有10-8秒，每对光波列叠加的时间极短，而人眼的“响应时间”,1、非相干叠加,不能保持恒定的光波的叠加,非相干叠加时的光强度等于叠加的两光波的强度之和。,2、相干叠加,保持恒定的光波的叠加,2、相干叠加,保持恒定的光波的叠加,纵截面图,纵截面图,2、相干叠加,保持恒定的光波的叠加,讨论：,若：,可见：,21.2 光程和光程差,1、介质中光的速度与波长

6、,光在媒质中的速度：,光在媒质中的波长,光在媒质中传播时波长变短了，为真空中波长的n分之一。,结论：,这将带来什么问题呢？,一般而言：当波传播距离r时，r处的质点相位落后,与波长有关。,若光波分别在真空和介质中传播,r1=r2,P,介质,真空,2、光程,若两相干光波在真空中传播,若两相干光波分别在介质“1”和介质“2”中传播,光程=折射率几何路程=n r,定义：,当光在几种媒质中传播时,则前面所述情况：,一般言之：,光程的意义：,两相干光在不同介质中传播时，光程相同则：光振动落后光源的相位相同；,P1点落后S1的相位：,P2点落后S2的相位：,若：,P1、P2点落后S1、S2的相位相同,若两相

7、干光的光程相同时，则传播的时间相同。,n1介质 中传播的时间：,若：,n2介质 中传播的时间：,即传播的时间相同。,五、光干涉时加强与减弱的条件,由波的干涉条件：,加强（明纹）,其它值,最强最弱之间,减弱（暗纹）,由波的干涉条件：,加强（明纹）,其它值,最强最弱之间,减弱（暗纹）,若：,为真空中的波长,六、关于薄透镜的等光程性,P,Q,一点光源P发出的光经薄透镜汇聚于Q点,这事实说明：,在薄透镜的光路中，由P点发出的光线经透镜聚焦于Q点，则这些光线的光程是相等的。（几何路径不相等）,当P点移至无限远,焦点,焦平面,七、相干光的获得,剖面图,杨氏干涉,1、分波阵面法,纵截面图,屏,双缝,单缝,七

8、、相干光的获得,2、分振幅法,等倾干涉,1、分波阵面法,P,薄膜,S,P,透镜,剖面图,透镜,一、杨氏双缝干涉,1、实验装置及现象,单缝,双缝,屏,若为白色光入射,剖面图,双缝,单缝,屏,2、定量分析,若：n1,P,2、定量分析,作辅助线S1Cr2,由光的干涉条件,明纹,暗纹,明暗纹位置：,（明纹）,（暗纹）,讨论：,1）对应不同的k值，将有一对明或暗纹出现在中 央明纹两侧，k称之为干涉级。,2）杨氏干涉的条纹是等间距的，且S1、S2间距越 大，条纹越密。,=常数,以明纹为例,3）条纹间的间距与波长成正比，波长越小，干 涉条纹越密，波长越长，间距越稀。,若为白光入射，条纹两侧出现彩色条纹，干涉

9、级高的条纹重叠。,若为白光入射，条纹两侧出现彩色条纹。,二、菲涅尔双面镜,可以证明：,M1 M2为夹角为 平面反射镜,实际上，严格的单色光源是没有的，总有一定的波长范围。,干涉级高的条纹重叠,I,谱线宽度,I,X,高干涉级的条纹看不清了,三、洛埃镜实验,平面反射镜,此处总为暗纹，说明反射光产生了半波损失！,（明纹）,（暗纹）,什么条件下发生反射光半波损失?,特例：光是正入射（i=0），或掠入射（i=90o）,n1,当光从光疏媒质进入光密媒质时（从折射 率小的媒质进入折射率大的媒质），反射光有 半波损失”。,n2,正入射,掠入射,n1 n2,n1 n2,例：双缝干涉中，入射光波长为，双缝至屏的距离为D，在一个缝后放一厚为b的透明薄膜，此时中央明纹处仍为一明纹，求该明纹的干涉级.,O,解：,